Режимы кипения гелия-II в пористой структуре на цилиндре

В группу инертных и благородных газов, широко распространенных в природе, входит гелий - в переводе с древнегреческого «солнце». Он второй по списку после водорода в таблице Менделеева (He), второй по распространенности во Вселенной, второй по легкости среди химических элементов.

Несмотря на вечный второй номер, он возглавляет группу инертных газов.

Основные свойства:

- у одноатомного гелия нет вкуса, запаха, цвета;

- он может находиться в 3-х агрегатных состояниях;

- в виде жидкости он самый холодный в мире;

- у жидкого гелия самая низкая температура кипения.

В чистом виде этот газ опасен для человека. Если концентрация его в воздухе растет, то начинается нехватка кислорода в крови (кислородное голодание), а при больших дозах проявляется рвота, бывает потеря сознания вплоть до смерти.       

Актуальность исследуемой темы обусловлена тем, что в жидком состоянии гелий очень важен. Он наделен целым списком особенностей. Одно из важнейших среди них - сверхтекучесть. Элемент инертный, то есть практически не взаимодействует с другими веществами, не растворяется в воде. На сегодняшний день широко известно, что в работе электронного оборудования многое зависит от температуры чувствительных элементов. В космической отрасли ряд проблем может решить использование сверхтекучего гелия He-II в роли криоагента. Преимуществом является эффективность теплопереноса, которая позволяет безупречно справляться с задачами охлаждающих систем.

Явление сверхтекучести позволяет гелию He-II проникать в каналы малых диаметров, создавая условия эффективного охлаждения. Теоретическое описание свойств этой квантовой жидкости требует экспериментального подтверждения в лабораторных условиях также, как и результаты экспериментов могут потребовать теоретического объяснения явлений, описанных в этой работе.

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 11

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА 14

2.1. Описание экспериментального стенда 14

2.2. Схема экспериментальной ячейки 16

2.3. Средства телеметрии и дополнительное оборудование 18

2.4. Методика проведения эксперимента. 21

ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ. 23

Описание режимов кипения He-II 23

3.1 Анализ кипения замкнутой паровой пленки 27

3.1.1 Выделение участков существования замкнутой паровой пленки 27

3.1.2 Положение стационарной паровой пленки в различных сериях экспериментов 32

3.1.3 Оценка значений коэффициента теплоотдачи при кипении He-II 34

3.1.4 Анализ испаряемости криостата 37

3.2 Анализ кипения с плоской границей раздела фаз пар-жидкость 39

3.2.1 Выделение участков кипения с плоской границей раздела фаз под цилиндрическим нагревателем 39

3.2 2 Определение положения границы раздела фаз в зависимости от режимных параметров эксперимента 43

3.2.3 Анализ экспериментальных данных на базе уравнения Фурье для градиента температуры на цилиндрической поверхности 46

1.     А.П. Крюков, П.В. Королев, Ю.Ю. Пузина. Влияние проницаемости пористой оболочки на толщину паровой плёнки при кипении сверхтекучего гелия в невесомости // ПМТФ. 2015. Т. 56, № 4. С. 121–132.

2.     Лабунцов Д.А., Аметистов Е.В., Спиридонов А.Г. Исследование пленочного режима кипения гелия (He-II) // Теплоэнергетика. 1981. № 4. C. 18–20.

3.     Аметистов Е.В., Григорьев В.А. Теплообмен с Не II / Е.В. Аметистов, В.А. Григорьев. М: Энергоатомиздат, 1986.

4.     Крюков А.П., Медников А.Ф. Экспериментальное исследование кипения Не-II на шаре» // ПМТФ. 2006. Т. 47, № 6. С. 78–84.

5.     Королев П.В., Крюков А.П., Медников А.Ф. Экспериментальное исследование движения гелия II в капилляре при наличии паровой полости вблизи нагревателя // Вестник МЭИ. 2006. № 4. С. 27–33.

6.     Королев П.В., Крюков А.П. Движение сверхтекучего гелия в капилляре с паром при наличии продольного теплового потока. // Вестник МЭИ. 2002. № 1. С.43–46.

7.     Крюков А.П. Движение жидкости в канале с паром при наличии продольного теплового потока // TBT. 2000. Т. 38, № 6. C. 945–949.

8.     Королев П.В., Крюков А.П., Пузина Ю.Ю. Конструкция экспериментальной ячейки для исследования кипения гелия-II в условиях невесомости // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2012. Т. 130, №. 5. C. 43–50. 1.     Королев П.В., Крюков А.П., Пузина Ю.Ю. Конструкция экспериментальной ячейки для исследования кипения гелия-II в условиях невесомости // Вопросы электромеханики. Труды НПП ВНИИЭМ. 2012. Т. 130, №. 5. C. 43–50

9.     П.В. Королев, А.П. Крюков, Ю.Ю. Пузина Экспериментальное исследование кипения сверхтекучего гелия (He-II) внутри пористого тела. // Прикладная механика и техническая физика. 2017. Т. 58. № 4.

10.   Королев П.В., Крюков А.П., Пузина Ю.Ю. Об экспериментах по кипению he-ii внутри пористого тела //XXXII «Сибирский теплофизический семинар» С. 131

11.   Determination of the vapor film thickness at steady superfluid helium film boiling Yu.Yu. Puzina, A.P. Kryukov, I.A. Yachevsky Low Temperature Department, Moscow Power Engineering Institute.